Curso: 2018-2019
Fecha: 17 de Septiembre de 2018 Alumno/Alumna: Escabel Echave, Gontzal
Director/Directora: De la Peña, Victor Francisco Codirector/Codirectora: Arraibi, Juan Ramón
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO FIN DE GRADO
ESTUDIO DE VIABILIDAD
TÉCNICO-ECONÓMICO DE UNA PLANTA DE
TRIGENERACIÓN PARA UNA FÁBRICA DE
Curso: 2018-2019
Fecha: 17 de Septiembre de 2018 Alumno/Alumna: Escabel Echave, Gontzal
Director/Directora: De la Peña, Victor Francisco Codirector/Codirectora: Arraibi, Juan Ramón
GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA
TRABAJO FIN DE GRADO
ESTUDIO DE VIABILIDAD
TÉCNICO-ECONÓMICO DE UNA PLANTA DE
TRIGENERACIÓN PARA UNA FÁBRICA DE
PRODUCTOS LÁCTEOS
DOCUMENTO 0 - RESUMEN
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 1
RESUMEN TRILINGÜE
[ES] El propósito de este proyecto es el dimensionamiento y el estudio de una planta de trigeneración para una fábrica de productos lácteos que, hasta el momento, se abastecía energéticamente por medios convencionales. Se mostrará la metodología de funcionamiento de la fábrica láctea, explicando cada proceso detalladamente y se calcularán las necesidades energéticas. Con el principal objetivo de aumentar la eficiencia energética se diseñará la planta de trigeneración y se realizará un estudio económico y de rentabilidad de la solución obtenida.
[EU] Ohiko moduan energia eskuratzen duen esneki-fabrika bat hausnarru, trigenerazio instalazioaren diseinua ikertu eta proposamen berria egitea da proiektu honen helburua.
Bertan, esnekien fabrikazio prozesua azalduz, fabrikak beharrezkoa duen energia kopurua adieraziko da. Energia eraginkortasuna hobetzekotan, trigenerazio instalazioaren diseinua egingo da eta ekonomikoki errentagarria den ikertuko da.
[EN] The purpose of this project is to study the possibility of installing a trigeneration plant in a dairy factory, where the energy is obtained by conventional means. The productive process of the industry will be explained in full detail and the quantity of energy that those processes consume. Finally, the design of the plant will be studied in order to, increase the energetic efficiency and economic study will be carried out.
Curso: 2018-2019
Fecha: 17 de Septiembre de 2018 Alumno/Alumna: Escabel Echave, Gontzal
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ESTUDIO DE VIABILIDAD
TÉCNICO-ECONÓMICO DE UNA PLANTA DE
TRIGENERACIÓN PARA UNA FÁBRICA DE
PRODUCTOS LÁCTEOS
DOCUMENTO 1 –
INDICE GENERAL
Curso: 2018-2019
Fecha: 17 de Septiembre de 2018 Alumno/Alumna: Escabel Echave, Gontzal
Director/Directora: De la Peña, Victor Francisco Codirector/Codirectora: Arraibi, Juan Ramón
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ESTUDIO DE VIABILIDAD
TÉCNICO-ECONÓMICO DE UNA PLANTA DE
TRIGENERACIÓN PARA UNA FÁBRICA DE
PRODUCTOS LÁCTEOS
DOCUMENTO 2 - MEMORIA
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ÍNDICE
1.- INTRODUCCIÓN ... 31.1.-MOTIVACIÓN: ... 3
1.2.-OBJETIVODELPROYECTO: ... 3
1.3.-ALCANCEDELPROYECTO: ... 3
1.4.-DESCRIPCIÓNDELPROYECTO ... 4
2.-CONTEXTO Y ANTECEDENTES ... 5
3.- PROCESO PRODUCTIVO ... 6
3.1.-¿QUÉSONPRODUCTOSLÁCTEOS? ... 6
3.2.HISTORIADELOSLÁCTEOS ... 6
3.3.-PROCESOPRODUCTIVODEUNAFÁBRICALÁCTEA ... 7
3.3.1.- RECEPCIÓN DE LA LECHE ... 8
3.3.2.- FILTRADO DE LA LECHE ... 8
3.3.3- PASTEURIZACIÓN ... 8
3.3.4.- DESCREMADO ... 9
3.3.5.- PREPARACIÓN DE LAS RECETAS EN FUNCIÓN DE LOS PRODUCTOS ... 10
3.3.6.- TRATAMIENTO TÉRMICO ... 10
3.3.7.- FERMENTACIÓN LÁCTICA ... 11
3.3.8.- ENFRIAMIENTO PARA LA CONSERVACIÓN DEL PRODUCTO LÁCTEO ... 11
3.3.9.- ENVASADO, ALMACENAMIENTO Y DESPACHO ... 11
4.- PROPUESTA DE MEJORA ENERGÉTICA ... 12
4.1.-INTRODUCCIÓNALACOGENERACIÓN ... 12
4.1.1.-APLICACIONES DE LA COGENERACIÓN ... 14
4.2.-MARCOLEGAL ... 15
4.3.-COGENERACIÓNENESPAÑA ... 18
4.4.-SISTEMASQUECOMPONENUNAPLANTADECOGENERACIÓN ... 20
4.4.1.- TURBINAS DE GAS (TG) ... 20
4.4.2.- TURBINAS DE VAPOR (VP) ... 21
4.4.3.- MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA (MACI) ... 22
4.4.4.- DIREFENCIAS ENTRE TURBINAS Y MOTORES ... 23
4.4.5.- CALDERAS DE RECUPERACIÓN ... 24
4.4.6.- MÁQUINAS DE ABSORCIÓN ... 25
4.4.7.-SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA ... 26
4.4.8.- SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN ... 27
4.4.9.- SISTEMAS DE CONTROL ... 27
4.5.-PROPIEDADESDEUNAPLANTADECOGENERACIÓN ... 28
4.5.1.- MODELOS DE COGENERACIÓN ... 29
4.5.2.- PARÁMETROS DE CÁLCULO Y POTENCIA ELÉCTRICA ... 33
4.6.-JUSTIFICACIÓNDELACOGENERACIÓN ... 36
4.7.-ALTERNATIVASELECCIONADA ... 36
5.- NECESIDADES ENERGÉTICAS ... 37
5.1.-HORASDETRABAJO ... 37
6.- ANÁLISIS ENERGÉTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL ... 38
7.- DESCRIPCIÓN DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA ... 43
7.1.-FUENTEDEENERGÍAPRIMARIA ... 43
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7.3.-CALDERADERECUPERACIÓN ... 46
7.4.-SISTEMADEREFRIGERACIÓN ... 49
7.5.-SISTEMASSECUNDARIOS ... 50
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1.- INTRODUCCIÓN
1.1.- MOTIVACIÓN:
La empresa de producción láctea con la que se va a realizar el estudio, propone estudiar la viabilidad técnico-económica de una planta de cogeneración para su
fábrica.
El propósito de dicha empresa trata de satisfacer la demanda de energía eléctrica y térmica del proceso mediante la instalación de una planta de cogeneración. Los factores más relevantes que han hecho que la empresa de producción láctea se decante por esta solución han sido:
• Decremento de emisiones atmosféricas.
• Ahorro económico en cuanto a costes energéticos.
• Disminución de la dependencia del suministro exterior de energía.
1.2.- OBJETIVO DEL PROYECTO:
La finalidad de este proyecto es el dimensionamiento de una planta de cogeneración, con el fin de atender las necesidades energéticas de la fábrica láctea, investigando las soluciones tecnológicas disponibles a partir de dichas necesidades del proceso productivo.
Para ello, se valorarán distintas alternativas tecnológicas, tanto técnica como económicamente, y se realizarán sus correspondientes estudios de viabilidad (dentro del Marco Legal), que nos conducirán a la elección de la planta.
El objetivo principal es definir la solución tecnológica que mejor se adapte a las necesidades de la empresa láctea teniendo en cuenta el proceso productivo inicial (tanto técnica como económicamente). También, se tendrán en cuenta unas condiciones de referencia y se analizará la rentabilidad de la solución tecnológica durante los años de funcionamiento previstos.
1.3.- ALCANCE DEL PROYECTO:
El alcance del proyecto es el siguiente:
• Descripción del principio de cogeneración, tecnologías y marco legal. • Descripción del funcionamiento general de la planta.
• Descripción de los elementos generales de la planta de cogeneración. • Descripción de cada una de las opciones propuestas:
o Ciclo motor
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 4 • Comprobación del cumplimiento Legal del Rendimiento Eléctrico
Equivalente exigido por el Real Decreto 661/2007.
• Justificación de la viabilidad económica de la planta de cogeneración. • Cálculo del ahorro global de emisiones.
1.4.-DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO
En este proyecto se va a analizar la instalación de una planta de trigeneración en una fábrica de productos lácteos. Estos productos son la consecuencia de varios procesos que se llevan a cabo en la industria para su posterior venta a los
consumidores.
En ese proceso productivo, los lácteos necesitan tanto energía térmica como eléctrica. La energía eléctrica se utiliza para que las máquinas de producción puedan funcionar, en cambio, la energía térmica (frio y calor) se utiliza para el tratamiento de los lácteos y su conservación.
Debido a lo mencionado previamente, la instalación de una planta de trigeneración es una solución que satisface las necesidades de la fábrica, ya que, se aprovecha la energía térmica y eléctrica.
Por consiguiente, se estudiará detalladamente el proceso productivo de la fábrica y se considerarán las diferentes alternativas para la instalación de la planta, teniendo en cuenta los riesgos y beneficios que conllevarían.
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2.-CONTEXTO Y ANTECEDENTES
La empresa láctea de la que se va a realizar el estudio, está ubicada en Lezama (Vizcaya) y es una empresa de tamaño pequeño-mediano. Por motivos de
confidencialidad, no se puede mencionar el nombre de la empresa, por lo que, a partir de ahora la llamaremos “Bask Lácteos”.
Actualmente, el modo de funcionamiento de esta empresa, como muchas otras es obtener energía eléctrica de la red y producir vapor necesario en una caldera
convencional mediante el uso del gas natural como combustible.
Como se ha mencionado anteriormente, las razones principales para que la empresa haya optado por la instalación de una planta de cogeneración son:
• Disminuir las emisiones atmosféricas.
• Reducir la dependencia del suministro exterior de energía.
• Disminuir los costes energéticos y aumentar la competitividad de la empresa en el sector.
Por ello, mediante este proyecto se obtendrá una descripción detallada de los elementos principales de la planta de cogeneración y su funcionamiento. También, se calculará la potencia necesaria de todo el proceso y se definirán los equipos adecuados para el rendimiento óptimo de la planta.
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3.- PROCESO PRODUCTIVO
3.1.- ¿QUÉ SON PRODUCTOS LÁCTEOS?
El grupo de los lácteos incluye alimentos como la leche y sus derivados procesados.
Las plantas industriales que producen estos alimentos pertenecen a la industria láctea y se caracterizan por la manipulación de un producto altamente perecedero, como la leche, que debe vigilarse y analizarse correctamente durante todos los pasos de la cadena de frío hasta su llegada al consumidor.
3.2. HISTORIA DE LOS LÁCTEOS
El consumo regular de la leche por parte de las personas se remonta al
momento en que los antepasados dejaron de ser nómadas y comenzaron a cultivar la tierra para alimentar a los animales capturados que mantenían junto al hogar. Este cambio se produjo en el Neolítico aproximadamente 6000 años a.C.
En aquellos tiempos, la leche se guardaba en pieles, tripas o vejigas animales que, en ocasiones, no estaban bien lavadas o se dejaban expuestas al sol, por lo que el producto coagulaba. De este modo surgió el que probablemente fuera el primer derivado lácteo, al que ya se hacían alusiones en la Biblia: la leche cuajada.
Los primeros animales que ordeñaron fueron ovejas y cabras. Años más tarde, también se implantó el consumo de leche de vaca y de algunos derivados de éste alimento como las leches fermentadas.
Los derivados fermentados fueron descubiertos de manera espontánea debido a sus condiciones de vida y temperatura. Este tipo de reacción se realizó de una
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 7 manera casual, debido a que no tenían sistemas de conservación de la materia prima que evitara que fermentase.
De esta manera, sin quererlo, se encontraron con un tipo de leches que les fue muy útil para almacenar durante más tiempo sin que se estropeara.
A medida que mejoraban los sistemas de conservación, aumentaba la diversificación de derivados lácteos y su consumo empezó a dejar de formar parte exclusiva de la gente más pobre. De esta manera, muchos años después, los franceses empezaron a consumir la nata o crema de leche en su alimentación habitual.
Lo que propulsó su incremento de consumo, sin olvidar la seguridad higiénica en la producción que éstos provocan, fueron los avances tecnológicos que supuso la época de la industrialización, tanto a nivel de distribución, como en conservación.
3.3.- PROCESO PRODUCTIVO DE UNA FÁBRICA LÁCTEA
La fábrica es una industria de productos lácteos frescos cuyo objetivo principal es asegurar la calidad de la leche para su posterior uso. Para ello, habrá un proceso de tratamiento de la leche en la que los mayores consumos energéticos provienen de la generación de vapor.
A continuación, se describirán detalladamente los procesos que se dan en la fábrica láctea para la obtención del producto.
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3.3.1.- RECEPCIÓN DE LA LECHE
En la planta el personal que recibe la leche deberá hacer la evaluación organoléptica y las pruebas de calidad.
El control de calidad de la leche que entra a la fábrica, involucra un conjunto de pruebas que permiten determinar si la leche es pura, limpia y apta para la fabricación de derivados lácteos.
Es necesario que la leche no provenga de animales que están en tratamiento con antibióticos, puesto que una cantidad pequeña que se encuentre en el producto evitará que se desarrollen los microorganismos necesarios que intervienen en el proceso.
Hay varios tipos de pruebas para el control de calidad como, por ejemplo: California Mastitis Test (CMT), pruebas sensoriales, prueba de alcohol, determinación de la acidez, determinación de la densidad, prueba para la determinar la adición de almidón, etc.
3.3.2.- FILTRADO DE LA LECHE
El filtrado de la leche es un proceso importante en la elaboración de productos lácteos. La operación consiste en hacer pasar el producto a través de una tela para eliminar suciedades que generalmente trae la leche, especialmente cuando el ordeño se realiza de forma manual.
La tela con la que se filtra la leche, debe lavarse después de cada uso con detergente y una solución de cloro a 100 partes por millón (ppm). Durante este proceso, los filtros deben ser reemplazados frecuentemente de modo que la suciedad no se convierta en el vehículo de transmisión de microorganismos a la leche.
Hay que mencionar que la operación de filtrado de la leche sólo logra eliminar las suciedades más grandes (las que puedan ser retenidas por el paño/filtro). Por lo que a través del filtro logran pasar una cantidad inmensa de microorganismos que dañan la calidad de la leche.
3.3.3- PASTEURIZACIÓN
Como se ha mencionado anteriormente, por el filtro pasan microrganismos que el filtro no puede retener, para eliminar estos, se utiliza el tratamiento de la
pasteurización.
Se puede definir como pasteurización al proceso por el que es posible destruir los microorganismos patógenos, es decir, aquellos que causan enfermedades a los
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 9 humanos, mediante la aplicación de calor a temperaturas suficientes para eliminar este tipo de microorganismos sin alterar los componentes de la leche.
Hay que añadir que pasteurizar no es lo mismo que hervir. Cuando se hierve la leche, se altera la estructura de la proteína, se pierde calcio y el contenido vitamínico disminuye. En cambio, si la leche se pasteuriza, se evita la alteración de las proteínas, las vitaminas se mantienen, el nivel del calcio aumenta y se eliminan microorganismos productores de enfermedades.
En la producción de productos lácteos a pequeña escala destacan dos tipos de pasteurización:
• Pasteurización baja: Calentar la leche hasta 75ºC y mantener esta temperatura durante 30 minutos. Después enfriar a 37ºC.
• Pasteurización media: Calentar hasta 95ºC y mantener durante 30 segundos. Después enfriar a 37ºC.
Una vez transcurrido el tiempo de pasteurización la leche se debe enfriar lo más rápido posible.
3.3.4.- DESCREMADO
La crema es la parte rica en grasa de la leche, que se obtiene por descremado natural o por centrifugado de la leche entera.
El uso de la crema es amplio, la que se vende para consumo tiene distintos contenidos grasos y se destina a la elaboración de postres, uso en la cocina o consumo directo.
El descremado es el proceso de separación de la parte de grasa de la leche que se realiza de forma manual o eléctrica por centrifugación.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 10 Después la crema obtenida se conserva en bolsas de plástico que se encuentran completamente limpias, libres de polvo, agua u otras sustancias que puedan
contaminar el producto. La crema se almacena bajo la refrigeración adecuada de 8ºC en un ambiente libre de humedad.
3.3.5.- PREPARACIÓN DE LAS RECETAS EN FUNCIÓN DE LOS PRODUCTOS
Mezcla de ingredientes sólidos y líquidos para normalizar el contenido nutricional de cada producto como por ejemplo mantequilla, quesos, cuajada, etc.3.3.6.- TRATAMIENTO TÉRMICO
Los productos preparados se someten a un tratamiento térmico para la
eliminación de las bacterias y la activación de ingredientes. Este tratamiento puede ser de dos tipos: Esterilización (135ºC) o Pasteurización (95ºC).
La esterilización consiste en calentar la leche a una temperatura alrededor de 135ºC. Este proceso, libera los alimentos de gérmenes, hongos, bacterias y esporas, que causan descomposición, pérdida de apariencia, textura, sabor y propiedades nutritivas, con riesgos para la salud.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 11 Además, destruye las vitaminas hidrosolubles (vitamina B y C) en mayor o menor cantidad, según la duración del tratamiento. También puede originar cambios en el sabor y el color original del alimento (la leche esterilizada es ligeramente amarillenta y con cierto sabor tostado).
La esterilización a temperatura alta (calentamiento a 140ºC por 45 segundos, sin refrigeración posterior), elimina cualquier microorganismo presente en la leche, por lo que, este proceso no se aplica a leches saborizadas o reformuladas, ya que, se caramelizan.
3.3.7.- FERMENTACIÓN LÁCTICA
Los productos fermentados de la leche, son productos lácteos procedentes de los cultivos lácteos debido a la acción de las bacterias del ácido láctico (lactobacillales).
El proceso de fermentación incrementa la vida útil de consumo del lácteo, mejorando la digestibilidad del mismo. Hay un rango de diferentes Lactobacillales capaces de proporcionar a los lácteos fermentados de diferentes sabores.
Existen muchos tipos de lácteos de cultivo o fermentados y se pueden encontrar a lo largo de todo el mundo, por ejemplo:
• Yogur • Cuajada
• Suero de mantequilla
3.3.8.- ENFRIAMIENTO PARA LA CONSERVACIÓN DEL PRODUCTO LÁCTEO
Una vez pasados todos los procesos mencionados anteriormente, se conservan a una temperatura adecuada dependiendo de las características del producto para su posterior envasado.3.3.9.- ENVASADO, ALMACENAMIENTO Y DESPACHO
Finalmente, el producto se mete en su correspondiente envase y después de agrupar los productos, se empaquetan en cajas y se procede al embalaje. Deberán apilarse a una altura reducida para evitar aplastamientos. La manipulación de los embalajes siempre debe ser cuidadosa, para evita abollar los envases, afectar el cierre y por tanto, comprometer su hermetismo. Finalmente, el producto se almacenará en un lugar seco e higiénico.
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4.- PROPUESTA DE MEJORA ENERGÉTICA
4.1.- INTRODUCCIÓN A LA COGENERACIÓN
La cogeneración es la producción conjunta, en proceso secuencial, de electricidad (o energía mecánica) y energía térmica útil, partiendo de un único combustible.
Esta generación simultánea de calor y electricidad, permite un mejor aprovechamiento de la energía que se transforma respecto a la producción de electricidad y calor por separado.
Los sistemas de cogeneración presentan rendimientos globales del orden del 83-90%, lo que implica que el aprovechamiento simultáneo de electricidad y calor favorezca la obtención de elevados índices de ahorro energético.
El gas natural es la energía primaria más utilizada para el funcionamiento de las centrales de cogeneración, las cuales funcionan con turbinas o motores a gas. No obstante, también se pueden utilizar fuentes de energía renovables y residuos como biomasa (para el estudio del proyecto se utilizará gas natural como combustible).
El usuario que cogenera sigue utilizando la misma cantidad de energía (calor y electricidad) que, en la situación primitiva, cuando compraba la electricidad a la compañía eléctrica y el combustible a la compañía suministradora. Su ventaja es económica, ya que, obtiene la misma cantidad de energía a menor coste. Esto implica obviamente una inversión que ha de amortizarse en un plazo de tiempo razonable.
En la siguiente imagen se puede apreciar lo explicado anteriormente, en el primer caso mediante la producción en cogeneración se consume menos energía, se
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 13 consigue la misma cantidad de energía calorífica y eléctrica, y se obtienen menos pérdidas que en la producción separada.
A continuación, se explicarán las ventajas y desventajas de la cogeneración: • Ahorro de energía primaria utilizada: Mediante una instalación de
cogeneración se puede reducir hasta el 25% del consumo de combustible comparado con la instalación convencional.
• Reducción de costes: El presupuesto del coste de la energía mediante el sistema de cogeneración es más reducido que las unidades
convencionales (20-30% menores).
• Mejora medioambiental: Al disminuir el consumo de la energía primaria se reducen las emisiones de contaminantes atmosféricos (So2 y NOx). • Mayor diversificación energética, ya que, se utiliza un nuevo
combustible que es el gas natural.
• Normativa: Es necesaria una reglamentación adecuada, para regular y resolver los numerosos posibles puntos conflictivos que pueden presentarse en las relaciones cogenerador-compañía eléctrica. • Infraestructura: Se requiere una infraestructura adecuada para el
correcto uso y mantenimiento de las instalaciones.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 14 • Estabilidad de la red eléctrica: Las unidades de cogeneración ofrecen un
alivio significativo a las redes eléctricas durante los meses calurosos de verano. Las cargas de refrigeración se transfieren de las redes eléctricas a las redes de combustibles fósiles, ya que, el proceso de refrigeración cambia de los ciclos de compresión generalizados a los de absorción. Esto incrementa aún más la estabilidad de la red eléctrica y mejora la eficiencia del sistema, ya que, los picos del verano son cubiertos por empresas eléctricas mediante unas ineficaces unidades de reserva y líneas de transporte de electricidad sobrecargadas.
• Energía: se aprovechan varios tipos de energía y su potencial de rendimiento es mayor que una central convencional. Además, se produce la energía allí donde se consume (menos pérdidas por transporte).
4.1.1.-APLICACIONES DE LA COGENERACIÓN
Las grandes centrales térmicas o sistemas convencionales de abastecimiento eléctrico o energético se centran exclusivamente en la generación de electricidad y, por lo tanto, el calor residual es emitido al ambiente.
Las industrias y los usuarios se suministran de combustible y electricidad por determinados proveedores; este suministro es costoso y no es eficiente, ya que, hay muchas pérdidas energéticas que podrían evitarse mediante las tecnologías de cogeneración.
Las plantas de cogeneración se caracterizan por la diversidad de tecnologías y por su especificidad en el diseño, ya que, en cada caso se debe diseñar en función de la demanda de electricidad o calor.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 15 Las aplicaciones de cogeneración varían entre diferentes regiones y países del mundo según sus diferentes condiciones climáticas, a la situación económica y a las condiciones de mercado para la cogeneración.
Las aplicaciones de tecnologías de estas técnicas no son únicamente en el sector industrial, sino que están siendo utilizadas en servicios públicos como en el sector residencial. El sector residencial y los edificios presentan un inmenso potencial tanto para cogeneración como trigeneración pues se caracterizan por una gran demanda de calor y frío, ya que, mayores ingresos implican mayores demandas de confort térmico.
A continuación, se citan las aplicaciones típicas de cogeneración y trigeneración:
• Establecimientos educacionales • Horticultura
• Desarrollos mixtos • Calefacción distrital
• Tratamientos de aguas servidas • Instalaciones militares
• Cárceles • Hospitales • Hoteles
• Ocio (cines, centros comerciales) • Centros de datos
• Industria
4.2.-MARCO LEGAL
Las plantas de cogeneración son proyectadas para trabajar dentro de unos estrictos rangos. Las curvas de demanda energética del usuario y de producción de la instalación no son continuos, por lo que es normal que se produzcan excedentes o déficits de energía eléctrica que obligan al usuario a conectarse a la red (bien para vender o comprar electricidad).
Esta circunstancia puede generar desacuerdos y conflictos, y para evadir estas situaciones es necesaria una legislación que regule las relaciones entre cogeneradores y sector eléctrico .
En el año 1980, con la promulgación de la Ley 82/1980 “Ley de Conservación de la Energía”, las instalaciones de cogeneración comenzaron a regularse desde el punto de vista legal. En su capítulo II del Título I consta de una serie de medidas para el fomento de la autogeneración.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 16 El “RD 2366/94 sobre producción de energía eléctrica por instalaciones hidráulicas, de cogeneración y otras abastecidas por recursos o fuentes de energía renovable” se publica en el BOE el 9 de Diciembre de 1984. En este RD se desarrolla la Ley 40/1994 de ordenación del sistema eléctrico nacional, definiéndose en su Capítulo I, artículo 2 el término “Instalaciones en régimen especial” que engloba aquellas instalaciones de producción de energía con potencia instalada igual o inferior a 100MVA.
En cuanto a las instalaciones en régimen especial siguen siendo las definidas en el RD 2366/94. Pero la potencia máxima se rebaja desde 100MW a 50MW. Cuando se excede de esta potencia máxima se entra en el rango de auto-productor.
El real Decreto 661/2007 regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial y entra en vigor el 25 de Mayo de 2007. Hoy en día, la sociedad española necesita cada vez más el uso de las energías renovables y aumenta la demanda de la eficiencia en la generación de electricidad con el fin de obtener un desarrollo sostenible desde un punto de vista social, económico y ambiental. A parte de esto, mediante la búsqueda de la eficiencia energética en la generación de
electricidad y el uso de las fuentes de energía renovables, la política energética nacional debe posibilitar la disminución de gases de efecto invernadero de acuerdo con los compromisos obtenidos con el protocolo de Kyoto. La creación del régimen especial de generación eléctrica fue un hito importante en la política energética de España. Mediante el Plan de Energías Renovables de 2005-2010, se recogen los objetivos relativos al fomento de las energías renovables y la cogeneración.
En el real decreto el marco económico establecido adjunta los principios recogidos en la Ley 54/1997 del Sector Eléctrico, garantizando a los titulares de instalaciones en régimen especial una retribución razonable para sus inversiones; y a los consumidores eléctricos una asignación también razonable de los costes
imputables al sistema eléctrico. Mediante la participación en el mercado, se consigue una menor intervención administrativa en la fijación de los precios de la electricidad, así como una mejor y más eficiente imputación de los costes del sistema (referido a la gestión de desvíos y a la prestación de servicios complementarios). Para ello se
mantiene un sistema análogo al contemplado en el RD 436/2004 en el que el titular de la instalación puede vender su energía con una tarifa regulada, única para todos los periodos de programación o sino puede vender la energía en el mercado diario.
En el año 2008 se inicia la elaboración del nuevo Plan de Energías Renovables para la aplicación en el periodo 2011-2020, los objetivos que se proponen se
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 17 En cuanto al RD 661/2007, se puede decir que se estructura en cuatro
diferentes capítulos. El primer capítulo define el alcance objetivo de la norma y
también, especifica las instalaciones que tiene la consideración de régimen especial; se clasifican en categorías, grupos y subgrupos. En el segundo capítulo se regula el
proceso para la inclusión de la instalación de producción de energía en el régimen especial. Después, en el tercer capítulo, se regulan las obligaciones y los derechos de los productores y en el siguiente capítulo se regula el régimen económico.
La nueva legislación constituida por el RD 616/2007 de fomento de la
cogeneración (transpone a la legislación española de la Directiva 2004/8/CE) hay que tenerla presente y que, además, este RD permite: calcular los complementos
retributivos en función de su eficiencia, determinar la electricidad que es objeto de las garantías de origen y evaluar los índices de eficiencia de las plantas de cogeneración para discriminar las que deben ser objeto de fomento.
Los índices de eficiencia son en función del ahorro de energía y se concretan mediante la energía eléctrica producida (E), el combustible consumido (F) y el calor (H).
Mediante el Anexo II de la Directiva Europea se determina la electricidad de cogeneración, y es función del rendimiento global de la planta y de las características de esta. Hay varios tipos de evaluación de las plantas: El RD 661/2007 trata del rendimiento eléctrico equivalente (REE) y el índice empleado es el denominado PES (consiste en el ahorro de energía primaria porcentual y determina cuándo la
electricidad de cogeneración es alta de eficiencia y puede certificar la “Garantía de Origen”).
El 1 de diciembre de 2007, mediante la CNE se puso en marcha el sistema de Garantía de Origen y el Etiquetado de Electricidad en el cual el objetivo es informar al
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 18 consumidor con el fin de que conozca en detalle el origen de la energía que consume y el impacto ambiental que conlleva. La iniciativa es una adaptación de la normativa europea. La directiva 2001/77/Ce sobre la promoción de la electricidad con fuentes renovables indica en el 5º artículo la necesidad de garantizar el origen de la
electricidad.
La Directiva 2003/54/CE que habla sobre las normas comunes para el mercado interior de la electricidad, obliga a los suministradores que añadan en las facturas el desglose de la contribución que tuvo cada fuente energética primaria en la energía comercializada durante el año previo, y la información sobre el impacto ambiental, en relación con las emisiones específicas de CO2 y la generación de residuos radiactivos.
Por mediación del Etiquetado de la Electricidad y el Sistema de Garantía de Origen es posible asegurar el origen de la energía eléctrica producida mediante fuentes renovables o sistemas de alta eficiencia; saber la mezcla global de energías primarias que se usan para crear electricidad; y determinar la mezcla de energía comercializada durante el año previo por cada empresa.
La variación de criterios en la Legislación para la cualificación y evaluación de las plantas requiere un análisis previo y la determinación de unos principios
fundamentales que dejen avanzar a un conjunto de soluciones que deben ser razonables técnicamente, aceptables económicamente y coherente con todas las legislaciones.
La evaluación es compleja no solo por la parte legislativa, sino por la diversidad tecnológica de las mismas y por la dificultad de la medida de parámetros que
determinan la eficiencia y el calor útil.
4.3.- COGENERACIÓN EN ESPAÑA
Las primeras instalaciones de cogeneración utilizadas en España se basaron en turbinas de vapor situadas principalmente en industrias del sector químico y de fabricación de pasta y papel. Su finalidad consistía en asegurar el suministro eléctrico al proceso industrial y optimizar los costes de producción.
Las instalaciones de cogeneración basadas en turbinas de gas y motores alternativos comenzaron a implantarse en España en la década de los ochenta con un ritmo lento de introducción.
A finales de 1987 se inició un periodo de crecimiento sostenido en los sectores industrial y terciario, causado principalmente por la diferencia de precios entre los combustibles y la energía eléctrica, que propició una rentabilidad elevada de los proyectos de cogeneración.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 19 A partir de 1995, la cogeneración recibe un nuevo impulso y para mediados de 1999 la potencia instalada era de 936 MW con 186 instalaciones en servicio y una inversión de más de 115.000 millones de pesetas (unos 690M€).
Actualmente, la cogeneración puede tener un papel clave en las estrategias energéticas europeas y nacionales, ya que esta tecnología de producción de electricidad y calor contribuye directamente a los tres pilares fundamentales de la política europea: cambio climático, seguridad de suministro y competitividad.
En primer lugar, como ya se ha dicho, la cogeneración ahorra energía primaria, y se estima en unos 20.000 GWh/año, lo que supone menor importación de
combustible. Consecuentemente ahorra emisiones de gases de efecto invernadero, estimadas en torno a 5.000.000 tCO2/año, que se traducen en unos 167 M€.
Esta importante reducción de emisiones de gases de efecto invernadero
aportada por la cogeneración sugiere que hay que promover el uso de la cogeneración siempre que recurra a combustible fósiles, para salvar la diferencia entre las emisiones actuales y los objetivos acordados en Kioto.
Por otro lado, a diferencia de las tecnologías renovables, la cogeneración no sólo produce energía sino también ofrece seguridad de suministro. La aportación de garantías de potencia permite evitar la construcción de plantas de régimen ordinario necesarias para cubrir la potencia de plantas renovables en los momentos que no puedan funcionar.
Además, mientras el régimen especial en su conjunto tiene un coste medio de unos 124 €/MWh, superior a los 95 €/MWh de coste del régimen ordinario, en cogeneración el coste medio es inferior, de unos 87 €/MWh, con lo que ahorra al sistema entorno a 180.000 M€/año.
Fig. 10. Porcentaje de generación de energía mediante cogeneración en países
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 20 Finalmente, respecto a otras tecnologías renovables del régimen especial, la cogeneración ha hecho más competitiva la industria nacional, a la que ha rebajado su coste energético en más de un 10%, evitando la indeseable deslocalización de muchas industrias.
4.4.-SISTEMAS QUE COMPONEN UNA PLANTA DE COGENERACIÓN
4.4.1.- TURBINAS DE GAS (TG)
La turbina de gas, TG, se puede diferenciar en dos tipos: de combustión interna y de combustión externa.
En las de combustión externa, un fluido de trabajo que suele ser aire o un gas inerte describe un proceso cíclico recibiendo y cediendo calor a través de sendos intercambiadores de calor (calentador y enfriador).
El foco caliente de la máquina son los gases procedentes de la combustión de un combustible en una cámara de combustión, en tanto que el foco frío es el agua de refrigeración, que cede el calor absorbido en el enfriador al aire ambiental, mediante una torre de refrigeración.
Por el contrario, en una turbina de gas de combustión interna, también llamada de ciclo abierto, la combustión se produce en el seno del fluido de trabajo, de manera que no existe intercambio de calor con los focos a través de unas superficies de intercambio. Los gases de combustión, una vez expansionados en la turbina son cedidos al ambiente y el compresor aspira el nuevo aire atmosférico.
El valor relativamente bajo del rendimiento de estas turbinas de gas, juntamente con la gran cantidad de exceso de aire requerido para asegurar una temperatura aceptable a la entrada del expansor, origina un importante contenido energético en los gases de escape y la posibilidad de recuperar dicho calor residual. El rango de aplicación en cuanto a potencia de las turbinas de gas oscila desde 0’5 hasta 100 MW.
Tanto uno como otro tipo de turbina de gas pueden ser utilizados para la cogeneración. La principal ventaja de las TG de combustión externa radica en que, a través de sus componentes, no circulan los productos de la combustión,
minimizándose así los problemas de corrosión y desgaste.
En consecuencia, se puede utilizar una gran variedad de combustibles, como carbón, gas de horno alto, etc.
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4.4.2.- TURBINAS DE VAPOR (VP)
Las turbinas de vapor, TV, se produce energía mecánica mediante la expansión del vapor a alta presión procedente de una caldera convencional. Las TV se clasifican dependiendo de la presión de salida del vapor, siendo a contrapresión si la presión está por encima de la atmosférica, y a condensación si la presión se encuentra por debajo de la atmosférica.
Este tipo de turbina fue la primera utilizada en plantas de cogeneración. Hoy en día, en cambio, tiene que cumplirse varias condiciones para que las turbinas de vapor sean rentables en las plantas.
Una de esas condiciones es cuando el proceso es exotérmico, ya que, el calor sobrante que hay que retirar al ambiente se introduce en una caldera para generar vapor y después enviarlo a la TV.
Otra de las condiciones es que se disponga de combustibles como la biomasa, es decir, combustibles baratos.
Fig. 11. Turbina de gas
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4.4.3.- MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTIÓN INTERNA (MACI)
El motor alternativo, es un motor térmico de combustión interna, de
movimiento alternativo y convierte la energía química contenida en un combustible en energía mecánica de rotación de un eje. La reacción explosiva de la mezcla
aire-combustible en el interior del cilindro provoca un movimiento lineal del pistón, que la biela convierte en rotación del cigüeñal. De esta manera también se asegura el
movimiento alternativo del pistón, que permite renovar los gases producto de la combustión por mezcla fresca, lista para explosionar.
El motor alternativo es una máquina cíclica, pero el fluido se renueva en cada ciclo (se trata de un ciclo abierto).
El motor alternativo de combustión interna está basado en una tecnología bien conocida y ampliamente usada. Está presente en máquinas tan habituales como los automóviles, barcos, aviones, equipos de obras públicas, y por supuesto, las plantas de producción de energía eléctrica.
Los motores empleados en estas plantas se denominan motores estacionarios, ya que, no van montados sobre vehículos en movimiento. En realidad, los motores estacionarios grandes, para aplicaciones terrestres son prácticamente iguales a los motores marinos, y desde el punto de vista del diseño de ellos tiene su origen es estos. Existe una gran variedad de motores estacionarios para el mercado de generación eléctrica, que incluye sistemas de emergencia y de respaldo, equipos para picos de demanda, para demandas intermedias y para ser utilizados como carga base. Muchos de estos motores combinan la producción de energía eléctrica con la producción de energía térmica. El rango de aplicación en cuanto a potencia de los MACI va desde 5 hasta 15 MW.
Los motores se pueden clasificar según diferentes parámetros: su ciclo termodinámico, la velocidad de giro, el combustible usado, etc.
Los ciclos termodinámicos que se emplean casi exclusivamente en motores son dos: el ciclo Diésel y el ciclo Otto. En los dos casos el ciclo puede tener dos o cuatro tiempos. Los motores alternativos de gas que se usan en las plantas de cogeneración siguen un ciclo Otto y son de cuatro tiempos.
Los motores de compresión o Diésel han sido tradicionalmente los más usados para pequeñas y grandes aplicaciones en generación eléctrica. Pero sus mayores niveles de emisión y el precio del combustible los han ido relegando hasta el papel secundario que ocupan en la actualidad, salvo en el caso de generación eléctrica en las islas y para motores de emergencia.
En cuanto a la recuperación térmica en motores, a diferencia de lo que ocurre en turbinas de gas, la energía térmica recuperable está repartida entre tres diferentes circuitos:
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 23 • Gases de escape
• Agua de refrigeración de camisas y aire de alta temperatura
• Agua de refrigeración de aceite y aire de admisión de baja temperatura La diferencia principal entre los ciclos Otto y Diésel radica en el momento en que se produce la mezcla aire-combustible. En el ciclo Otto el gas aspirado por el cilindro es ya una mezcla, mientras que en el ciclo Diésel el combustible se inyecta a alta presión en la cámara de combustión al final de la compresión. Otra diferencia es la relación de compresión, que en el caso del ciclo Diésel suele ser bastante superior a la del ciclo Otto, por lo que obtiene mejores rendimientos. Esto está evolucionando porque se está llegando en motores ciclo Otto a relaciones de compresión similares a las del ciclo Diésel y en algunos motores de gas, el combustible también se inyecta directamente en el cilindro.
Finalmente, la diferencia más importante es el método que se emplea para producir la explosión de la mezcla. En un motor Otto es necesaria la adición de una energía exterior de activación para producir la reacción, normalmente suministrada por una bujía, mientras que en un motor Diésel, las condiciones de temperatura y presión alcanzadas en la cámara de combustión son suficientes para que la mezcla se inflame. Esta diferencia en el funcionamiento también supone unos requerimientos distintos para el combustible, que debe aguantar sin inflamarse hasta el momento exacto en que se precisa que lo haga.
4.4.4.- DIREFENCIAS ENTRE TURBINAS Y MOTORES
En cuanto a los factores técnicos, existen varias diferencias técnicas entre turbinas y motores. Se pueden clasificar dependiendo de las características físicas de la máquina, los rendimientos generales, la necesidad de mantenimiento y los
combustibles utilizados. También se tiene en cuenta las necesidades de espacio y las precauciones de diseño para la protección contra accidentes.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 24 El rendimiento mecánico de los motores puede ser muy grande (50%) en motores de dos tiempos, pero por el contrario el calor aprovechable tiene diversas fuentes y gran parte de él es a temperatura baja.
A parte de esto, los rendimientos eléctricos de las turbinas de gas son siempre menores que los de los motores de la misma potencia, aunque poco a poco se están acercando. En cambio, tienen la ventaja de disponer de una sola fuente de
recuperación de calor y, además, de alta temperatura, lo que hace que la combinación con TV sea más fácil incrementando el rendimiento eléctrico total.
La energía eléctrica es igual en todos los casos, pero la térmica no. También, se pueden comparar la distribución de energía térmica y su nivel térmico en la instalación con turbina de gas y con motores. La distinta distribución de energía hace que sea más cómodo el aprovechamiento en una instalación de turbina de gas. Así, en una fábrica en la que solo se consuma vapor de 4 bar saturado, el rendimiento global con plantas de turbinas de gas puede ser mayor del 85% y con motores difícilmente se superaría el 65%.
En cambio, en algunos casos se puede llegar a un buen rendimiento global cuando el proceso que aprovecha el calor puede consumir el calor de baja
temperatura que viene de los motores.
Otra diferencia importante es que las instalaciones con turbina de gas funcionan casi siempre a plena carga para que sean rentables. No obstante, el rendimiento de los motores varía muy poco en un rango amplio de carga. Es muy normal diseñar la planta mediante varios motores por necesidades de mantenimiento y fiabilidad, además de dar mayor flexibilidad a la planta de cogeneración.
4.4.5.- CALDERAS DE RECUPERACIÓN
Una caldera es un aparato a presión, donde el calor procedente de un
combustible o de otra fuente de energía se transforma en energía térmica, utilizable a través de un fluido caloportador en fase líquida o vapor. Las calderas que se utilizan en las plantas de cogeneración son calderas que recuperan el calor contenido en los gases de escape de la máquina térmica de combustión (motor o turbina de gas).
En ellas se calienta agua, que se convierte en vapor que se utiliza para mover una turbina de vapor y/o como fluido caloportador que aporta calor a alguna fase del proceso industrial al que está asociada la planta de cogeneración. Son el elemento de unión entre la generación de electricidad y la generación de calor útil.
Las partes fundamentales de una caldera son:
• Cámara de combustión u hogar, donde se realiza la combustión.
• Cuerpos de intercambio, donde se transfiere el calor de los gases calientes al fluido caloportador.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 25 • Quemadores
• Envolvente o carcasa que aísla el cuerpo intercambiador del exterior. • Conjunto de elementos auxiliares y de control de la caldera
• Las calderas pueden ir dotadas de los siguientes componentes externos o no al cuerpo de la misma:
• Economizador: Intercambiador de calor que precalienta el agua de entrada a la caldera, tomando calor de los humos o gases de escape.
• Recuperadores o regeneradores de calor: Intercambiadores de calor, que precalientan el aire de entrada a la cámara de combustión a partir de los gases de escape.
Las calderas o generadores de vapor que producen vapor sobrecalentado, (que es utilizado en la mayoría de las turbinas de vapor) llevan incorporadas a la misma un sobrecalentador o cambiador de calor que genera el vapor sobrecalentado a partir del vapor saturado.
4.4.6.- MÁQUINAS DE ABSORCIÓN
La utilización de la absorción para producir frío a partir del calor producido en la cogeneración, permitió que se hicieran rentables plantas que solamente con la producción de electricidad y calor no resultaban económicamente permisibles. Esta citada utilización, supuso mejorar las diferencias de rentabilidad de las instalaciones según su estacionalidad, ya que, en invierno el calor se utiliza para calefacción y en verano se transforma en frío.
El frío generado a partir del fluido térmico, se utiliza para acondicionamiento térmico de estancias (aire acondicionado) o refrigeración de productos a lo largo del proceso productivo. Tiene la ventaja de que es fácilmente almacenable en forma de agua fría, pudiendo alcanzar temperaturas por debajo de los 0ºC.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 26 Para producir frío aprovechable a partir de agua caliente o vapor se emplean máquinas de absorción. Existen dos tipos de procesos diferenciados: los que emplean una solución de Bromuro de litio como sustancia absorbente y los que emplean una solución de amoniaco.
El rendimiento en estas máquinas se denomina COP (coefficient of
performance), y es la relación entre el frio producido y el calor aportado a la misma por el foco caliente. Esta cantidad puede ser mayor que la unidad sin contradecir las leyes de la termodinámica.
4.4.7.-SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA
La calidad del agua utilizada, debe ser tal que no dañe los materiales con los que entra en contacto como puede ser la caldera, el ciclo agua-vapor, circuitos cerrados y torre de refrigeración, por lo que es un elemento a medir y controlar.
La desmineralización del agua se realiza en varios pasos: • Filtración
• Descalcificación o ablandamiento. En esta fase se eliminan la mayor parte de las sales alcalinas, que dan dureza al agua, intercambiando iones Ca y Mg por Na.
• Desgasificación térmica
• Desmineralización. Esta fase trata de la desmineralización propiamente dicha, después de ablandar el agua, se eliminan las sales presentes en la misma.
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4.4.8.- SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Las plantas de cogeneración necesitan ser refrigeradas, ya que, la combustión genera más energía que la que la planta es capaz de transformar en energía eléctrica y energía térmica aprovechable. Por lo tanto, es necesario evacuar a la atmósfera el agua de refrigeración del circuito de baja temperatura de los motores alternativos, el calor no aprovechado del circuito de alta temperatura de estos motores, el calor de condensación en turbinas de vapor, el calor de los aceites de lubricación, el de los devanados de los alternadores, etc.
Puesto que el rendimiento global no suele superar el 85%, una planta de cogeneración necesita evacuar al menos entre el 10 y el 15% de su potencia térmica total.
Las técnicas convencionales para esta evacuación son tres: circuito abierto, circuito semi-abierto con torres de refrigeración y refrigeración/condensación por aire.
4.4.9.- SISTEMAS DE CONTROL
Las plantas de cogeneración están altamente automatizadas, y el sistema de control distribuido se encarga de centralizar y coordinar todos los sistemas. El sistema de control requiere miles de cables, señales, tarjetas, relés, etc., por lo que la
búsqueda de averías y errores que puedan cometerse durante el montaje de la planta o tras accidentes graves (incendios, por ejemplo) es a veces muy complicada.
Existen salas refrigeradas en las que se localizan de forma exclusiva los armarios de conexionado de señales y las tarjetas electrónicas, y que conviene que estén separadas de las salas dedicadas a los sistemas eléctricos de potencia.
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4.5.-PROPIEDADES DE UNA PLANTA DE COGENERACIÓN
Los factores más importantes a tener en cuenta en una planta de cogeneración son los siguientes:
• Tipo de refrigeración
• Rendimiento eléctrico equivalente • Rendimiento eléctrico
• Potencia energética generada • Potencia térmica recuperada • Energía anual generada
• Tipo de combustible empleado • Rendimiento global
En cuanto al rendimiento eléctrico equivalente (REE) es un indicador intrínseco de la eficiencia de la fábrica, donde no se integran las correcciones como las pérdidas evitadas en la red eléctrica. Su valor se obtiene mediante la siguiente fórmula:
𝑅𝐸𝐸 = 𝐸
𝑄 − ( 𝑉0.9)
Donde:
E -> Energía eléctrica producida en el motor (kWh/año) V-> Energía aprovechada en forma de calor (kWh/año) Q-> Consumo de gas natural (kWh/año)
Hay que tener en cuenta los gases que van a la caldera de recuperación, sino la energía aprovechada en forma de calor sería errónea; y si no se aprovecha ese calor la rentabilidad de la empresa sería menor. Los valores de REE mínimos para poder realizar la instalación de cogeneración es:
MACI>55% TG>59%
Mediante el conocimiento de esta información es posible hacerse una idea de las rentabilidades y de las características de una planta de cogeneración.
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4.5.1.- MODELOS DE COGENERACIÓN
A continuación, se describirán varios tipos distintos de cogeneración y se describirán sus características térmicas y funcionales.
4.5.1.1.- COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR (TV)
En estos sistemas la energía mecánica se produce por la expansión del vapor de alta presión procedente de una caldera convencional.
Actualmente, su aplicación ha quedado prácticamente limitada como complemento para ciclos combinados o en instalaciones que utilizan combustibles residuales, como biomasa y residuos.
El principal inconveniente de las plantas de vapor para su aplicación en la cogeneración, es su bajo rendimiento en comparación con los motores alternativos y las turbinas de gas.
Dependiendo de la presión de salida del vapor de la turbina se clasifican en turbinas a contrapresión, en donde esta presión está por encima de la presión
atmosférica, y en turbinas a condensación, en las cuales la presión está por debajo de la atmosférica y han de ser provistas de un condensador.
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4.5.1.2.- COGENERACIÓN CON TURBINA DE GAS (TG)
En los sistemas con turbina de gas se quema combustible en un
turbogenerador. Parte de la energía se transforma en energía mecánica, que se
transformará con la ayuda del alternador en energía eléctrica. Su rendimiento eléctrico es normalmente inferior al de los motores alternativos, pero presenta ventajas que permiten una recuperación fácil del calor, que se encuentra concentrado en su práctica totalidad en los gases de escape, que está a una temperatura de unos 500ºC, idónea para producir vapor en una caldera de recuperación.
Cuando se presenta en el denominado ciclo simple, el sistema consta de una turbina de gas y una caldera de recuperación, generándose vapor directamente a la presión de utilización en la planta de proceso asociada a la generación. Su aplicación es adecuada cuando las necesidades de vapor son importantes. Son plantas de gran fiabilidad y económicamente rentables a partir de un determinado tamaño y si tienen un importante número de horas de funcionamiento con demanda de calor continua.
Si la demanda de vapor es mayor que la que pueden proporcionar los gases de escape, puede producirse una cantidad adicional utilizando un quemador de
postcombustión, introduciendo combustible directamente a un quemador especial, con el que cuenta la caldera. Esto puede hacerse porque los gases de escape son aun suficientemente ricos en oxígeno. Por el contrario, el escape de un motor alternativo tiene un contenido de oxígeno menor del que permite una combustión segura, por lo que es necesario enriquecerlo previamente en oxígeno, si se quiere hacer la
postcombustión, y ante esta dificultad, se suele optar por mantener calderas auxiliares de reserva para el caso de necesidades suplementarias de calor.
El diseño del sistema de recuperación de calor es fundamental, pues su
economía está directamente ligada al mismo, ya que el peso éste es mayor que en las plantas con motores alternativos.
4.5.1.3.- COGENERACIÓN CON MOTOR ALTERNATIVO
Como combustible utilizan gas, gasóleo o fuel-oil. Se basan generalmente en la producción a baja presión de vapor, puede llegar hasta los 10 bar, en el aceite térmico y en el aprovechamiento del circuito de agua de refrigeración de alta temperatura del motor. En este motor es adecuada la producción de frio por absorción, creada
mediante el vapor generado con los gases en máquinas de doble efecto, o mediante el uso directo del calor del agua de refrigeración en máquinas de simple efecto.
Esta clase de instalaciones es apropiada para potencias bajas (hasta 15MW), en las que la generación eléctrica es muy importante en el peso del plan de negocio. Los motores son la máquina térmica que más rendimiento eléctrico tienen.
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4.5.1.4.- COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON TURBINA DE GAS
El ciclo combinado en este caso se le denomina a la conjunta aplicación de una turbina de gas con una turbina de vapor.
Los gases de escape de la turbina atraviesan la caldera de recuperación, donde se produce vapor a alta presión. Este vapor se expande en la turbina y produce una energía eléctrica adicional. En cuanto al escape de la turbina será vapor a baja presión, que puede aprovecharse como tal o condensarse en un condensador presurizado, mientras produce agua caliente o agua sobrecalentada, que será utilizado en la industria correspondiente.
Si la demanda de calor disminuye, el vapor sobrante en el escape de la turbina puede condensarse, con lo que toda la energía de los gases no se pierde, sino que al menos se produce una cierta cantidad de electricidad.
En un ciclo combinado con turbina de gas el proceso de vapor es esencial para lograr la eficiencia del mismo. La selección de la temperatura y la presión del vapor vivo se hacen en función de las condiciones de los gases de escape de la turbina de gas y de las condiciones de vapor necesarias para la fábrica.
Una variante del ciclo combinado expuesto, en el que la turbina de vapor trabaja a contrapresión es el ciclo combinado a condensación, en el que el
aprovechamiento del calor proveniente del primer ciclo se realiza en la turbina de
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 32 vapor, quedando ésta como elemento final del proceso. El vapor de salida se condensa en un condensador que trabaja a presión inferior a la atmosférica, para que el salto térmico sea el mayor posible. Este es el ciclo de las centrales eléctricas de ciclo combinado.
4.5.1.5.- COGENERACIÓN EN CICLO COMBINADO CON MOTOR ALTERNATIVO
En este estilo de plantas, el calor contenido en los gases de escape del motor se recupera en una caldera de recuperación, produciendo vapor que es utilizado en una TV para producir más energía eléctrica o mecánica. El circuito de refrigeración de alta temperatura del motor se recupera en intercambiadores, y el calor recuperado se usa directamente en la industria.El rendimiento eléctrico en esta planta es alto, mientras que el térmico
disminuye considerablemente. Es importante para las plantas con demandas de calor no muy altas. El calor de escape de la TV también puede aprovecharse, en cuyo caso mejora el rendimiento global.
4.5.1.6.- TRIGENERACIÓN
Se define trigeneración como la generación conjunta de energía eléctrica, energía térmica en forma de calor y energía térmica en forma de frío. Consiste en el aprovechamiento del calor residual de la generación eléctrica para producir frío, calor y electricidad mediante un sencillo sistema integrado a partir de un mismo
combustible.
Un sistema de trigeneración se consigue al acoplar un sistema de cogeneración por motor térmico o por turbina, junto con una máquina de absorción destinada a refrigerar agua utilizando la energía térmica contenida en el agua de enfriamiento y los gases de escape del elemento motriz del alternador eléctrico.
Las plantas de trigeneración, debido a su gran rendimiento, hacen posibles una gran reducción del coste energético de los procesos productivos allí donde se
requieren importantes cantidades de calor en forma de vapor o agua caliente, energía eléctrica o frío.
Los sistemas de trigeneración permiten su viabilidad económica y técnica en centros no consumidores de calor (pero sí de frío), relacionados con procesos industriales.
También, permite la utilización en el sector terciario donde además de calor se requiere frío para climatización y que debido a la estacionalidad de estos consumos (calor en invierno y frío en verano) impedía la normal operación de una planta de
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 33 cogeneración. A parte de esto, al utilizar el calor para la producción de frío, permite una mayor estabilidad en el aprovechamiento del calor.
4.5.2.- PARÁMETROS DE CÁLCULO Y POTENCIA ELÉCTRICA
En cuanto a la potencia, es un valor instantáneo que varía mediante la presión, la temperatura y la humedad ambiental. La potencia eléctrica puede ser bruta si se cumplen una de las siguientes dos condiciones: si el dato que se aporta es la suma de la potencia medida en bornes de los generadores (potencia neta); o si se descuenta el consumo de todos los equipos auxiliares de la planta. La potencia media exportable es conveniente saber si el proceso asociado consume una parte de energía eléctrica generada. Para saber el valor de la energía eléctrica generable anualmente, hay que multiplicar el tiempo de funcionamiento por la potencia.
Una planta de cogeneración está conectada a la red eléctrica y la electricidad comprada se utiliza para la iluminación y para la fuerza motriz.
Hay que tener en cuenta varios parámetros de cálculo para la planta de cogeneración y por ello, a continuación, se definen:
• Los tipos de combustibles usados en plantas de cogeneración son diversos: biomasa, gasóleo, fuelóleo, gas natural o biogás. La mayor parte de las plantas de cogeneración en España utilizan como combustible el Gas Natural. Además de éste, es posible que algunas plantas tengan un combustible de apoyo para el caso de que el primero fallara.
• La relación electricidad-calor es el cociente entre el calor demandado y la energía eléctrica demandada. Este valor es importante, pero no define el tipo de planta.
• El tipo de caldera a utilizar será la adecuada (acuotubular o pirotubular) en función de la producción de KWh de electricidad o toneladas por hora de vapor en las condiciones de presión y temperatura que se exija.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 34 • La potencia térmica es la energía térmica útil que puede generar la planta por
una hora de funcionamiento.
• El rendimiento eléctrico es el cociente entre la energía eléctrica generada por la planta y la energía aportada por el combustible. Para calcular el dato, es necesario convertir la cantidad de combustible en energía, para lo cual hay que multiplicar la masa o el volumen de combustible por el poder calorífico interior (PCI) de éste. 𝑛- = 𝐸 𝑄 Siendo: 𝑛- = 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑄 = 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑜 (𝐾𝑊ℎ) 𝐸 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 (𝐾𝑊ℎ)
En cuanto al rendimiento global:
𝑛C =𝑉 + 𝐸
𝑄
𝑛C = 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙
𝑉 = 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟 ú𝑡𝑖𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 (𝐾𝑊ℎ)
• El RRE (rendimiento eléctrico equivalente) se define según la siguiente fórmula:
𝑅𝐸𝐸 = 𝐸
𝑄 −𝑅𝑒𝑓 𝐻𝑉
Donde:
𝑅𝑒𝑓 𝐻 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 35 • El PES (ahorro porcentual de energía primaria) es la relación entre la energía
primaria que se hubiera consumido en la generación de electricidad y calor, y el ahorro de energía primaria.
𝑃𝐸𝑆 = 1 − 𝑉 1 𝑄 𝑅𝑒𝑓 𝐻 + 𝐸 𝑄 𝑅𝑒𝑓 𝐸 ∗ 100 𝑅𝑒𝑓 𝐸 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑙𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖ó𝑛 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 El anexo II de la Directiva CE trata entre otros factores sobre el ahorro de la energía primaria y se distinguen varias particularidades, dado que el índice se refiere al calor útil producido y a la electricidad de cogeneración generada. Para entender por cogeneración de alta eficiencia de acuerdo a la Directiva, se tiene que obtener un PES mínimo de un 10% para conseguir los derechos a expedición de garantía de origen su favor. Esta orden acredita un número determinado de KWh de energía eléctrica producidos en una cogeneración en un periodo temporal determinado que han sido producidos mediante cogeneración de alta eficiencia.
Hay varios tipos de combustibles que pueden utilizarse en una planta de cogeneración. Las turbinas de gas (TG) pueden utilizar hidrógeno, gas natural, GNL, GLP, naftas y gasóleo. En cambio, los motores pueden utilizar fuelóleo y gas de coque o gases procedentes de procesos siderúrgicos.
El gas natural es el mejor combustible para las turbinas de gas, el único
combustible que compite, con ventaja, en precio con el gas natural es el fuelóleo para motores diésel, pero sus mayores desventajas son que limitan el rendimiento, que contaminan más y que el mantenimiento es más caro.
Escuela de Ingeniería de Bilbao Septiembre 2018 36
4.6.- JUSTIFICACIÓN DE LA COGENERACIÓN
La empresa responsable, intenta optimizar los costes energéticos del proceso productivo, de forma que sean los mínimos posibles a fin de incrementar su
competitividad dentro de este sector. Para ello decide estudiar la instalación de una planta de cogeneración.
El primer objetivo a cumplir por el diseño que se aborda, es que la planta deberá atender las demandas de calor que tiene la industria. Para ello se cuenta con la planta de cogeneración y un sistema de respaldo basado en caldera. La demanda de electricidad se atiende mediante la conexión a red, ya que resulta más interesante económicamente que el autoconsumo.
Con la instalación de la planta de cogeneración se desea cubrir los siguientes objetivos:
• Disminuir los costes energéticos gracias a la alta eficiencia energética de los sistemas de cogeneración, derivada de la producción simultánea de calor y electricidad.
• Minimizar las emisiones a la atmósfera de gases efecto invernadero mediante alimentación por gas natural.
• Contribuir a maximizar el potencial de autogeneración del país, con la consiguiente reducción en el consumo global de energía primaria.
• Dotar a la fábrica de una central flexible, capaz de atender futuras ampliaciones de demanda energética de forma económica y con fácil explotación.
4.7.- ALTERNATIVA SELECCIONADA
El tamaño de la fábrica en la que se quiere implantar en el sistema de
cogeneración es de tamaño mediano, por lo tanto, la demanda eléctrica y térmica no serán muy altas. Como se ha mencionado anteriormente, el rango de aplicación de las turbinas de gas es desde 0,5 hasta 100 MW y el de los MACI desde 4 hasta 15 MW. Por ello, mediante estos datos cualquiera de las dos opciones sería válida para la fábrica de lácteos, ya que, este sistema se acercará los 5 MW.
Hay que tener en cuenta que los MACI son muy apropiados para instalaciones de cogeneración de potencia media-baja (inferior a 10 MW) y, además, el rendimiento o eficiencia eléctrica de los motores es superior que la de las turbinas (también, el costo de los equipos es menor y la vida útil de este es mayor).
Por lo tanto, se deduce que la alternativa adecuada para la planta de cogeneración de la industria láctea será una instalación con MACI y una caldera de recuperación que junto con otros sistemas auxiliares sacarán el máximo partido a la energía generada.
